2. 열에의한물질의변화 2.1 물리적변화와화학적변화 우주의모든것은시간이흐르면서변화한다. 예를들어바위는부수어져작은조각으로변하고, 어린이는성장을한다. 물질에일어나는간단한변화의예로는얼음을꺼내놓으면물로변하거나, 촛불을켜놓으면초가사라지는것처럼보이는것등이있다. 이러한물질에일어나는변화들을분류하는기준중하나는그러한변화동안물질이다른물질로변화하는가, 그렇지않은가이다. 냉동실에서꺼내놓은얼음은시간이지나면서물로변한다. 그러나그물을다시냉동실에넣으면얼음이된다. 그것으로부터물과얼음은같은물질이라는것을알수있다. 이러한변화를물리적변화라고한다. 촛불을켜놓으면초가그을음을남기고사라지는것처럼보이는것은초를이루는물질인왁스가다른물질 ( 이산화탄소와수증기 ) 로바뀌었기때문이다. 이렇게한물질이다른물질로바뀌는변화를화학적변화라고한다. 2.2 열에의한물질의물리적변화 2.2.1 열에의해일어나는물리적변화들 -10 o C 의얼음을가열하면서온도변화를측정하면아래그림과비슷한그 래프 ( 가열곡선 ) 가얻어진다. [ 확실개념화학 ] 제 2 장열과물질의변화 5
위의그래프의여러구역들을두가지로구분해볼수있다. 온도가변하는구역 : A, C, E 온도가변하지않는구역 : B, D 가열하여도온도가변하지않는구역에서는물질에흡수된열이온도를올리는데사용되지않고상태를변화시키는데사용된다. 예를들어 0 o C에서는얼음이물로되는데열이사용되고, 100 o C에서는물이수증기로변화하는데열이사용된다. 이두온도를각각녹는점과끓는점이라고한다. 위의가열곡선으로부터열이물질에주는변화가온도변화와상태변화라는것을알수있다. 두경우모두물이다른물질로변하지않으면서일어나는과정이므로물리적변화이다. 2.2.2 온도변화와비열 같은질량 ( 예를들어 1g) 의여러물질에같은양의열을가하더라도물질마 다온도가증가하는정도가다르다. 열에의해온도가증가하는정도를나 타내기위해비열을사용한다. 비열 = 물질 1g 을 1 o C 올리는데필요한열의양 비열의단위로는 cal/g.o C, J/g.o C 등이있다. 비열은물질의특성이다. 비열이크다는것은 1 o C 올리는데많은열이필요하다는것이므로, 온도를올리는데많은열을필요로한다는뜻이다. 아래의표에몇가지물질의비열이있다. [ 확실개념화학 ] 제 2 장열과물질의변화 6
물질 상태 비열 (Jg -1 K -1 ) 수소 기체 14.30 헬륨 기체 5.19 공기 기체 1.01 기체 2.08 물 액체 4.18 고체 2.11 에탄올 액체 2.44 철 고체 0.45 구리 고체 0.39 금 고체 0.13 아스팔트 고체 0.92 유리 고체 0.84 모래 고체 0.84 인체 ( 평균 ) 3.5 위의표로부터일반적으로금속의비열이아주작다는것을알수있다. 비열이작다는것은작은열로도온도를많이높일수있다는뜻이다. 금속의그러한성질때문에조리기구로많이사용된다. 물의비열은다른액체에비해큰편이다. 비열이높다는것은온도가조금오르면서많은열을흡수할수있다는뜻이기도한다. 따라서물은다른물체로부터열을빼앗아주는냉각물질로흔히사용된다. 열이물질에흡수 ( 또는방출 ) 되어온도변화를일으킬경우, 온도변화를측정하면흡수된 ( 또는방출된 ) 열의양을계산할수있다. 이때비열을사용할수있는데비열의정의로부터 흡수된열 = 질량 x 비열 x 온도변화 흡수된열을 Q, 질량을 m, 비열을 c, 온도변화를 ΔT 라고하면다음과같 [ 확실개념화학 ] 제 2 장열과물질의변화 7
이기호로나타낼수도있다. Q = mcδt 2.2.3 상태변화와융해열과증발열 물질이녹을때필요한열의양을융해열 ( 또는녹음열 ) 이라고부른다. 융해열은물질에따라다르며, 물질의양에따라서도다르다. 같은질량의여러물질을비교할때융해열이크다는것은그만큼녹이는데많은열이필요하고, 따라서녹이기힘들다는뜻이다. 마찬가지로물질이기화할때필요한열을기화열이라고부르며, 물질의종류와양에따라다르다. 기화열이크다는것은기화시키는데많은양의열이필요하여기화시키기힘들다는뜻이다. 아래의표에는여러물질 1g의융해열과기화열이있다. 융해열녹는점기화열끓는점물질 (J/g) ( o C) (J/g) ( o C) 물 334 0 2272 100 에탄올 108-114 855 78.3 암모니아 339-75 1369-33.3 이산화탄소 184-57 574-78 수소 58-259 455-253 질소 25.7-210 200-196 산소 13.9-219 213-183 수은 11-39 294 357 [ 확실개념화학 ] 제 2 장열과물질의변화 8
융해열과기화열은비열에비해훨씬크다는것과기화열은융해열에비해아주크다는것을기억해두도록한다. 위의표로부터알수있는것중또하나는물이비열도크지만융해열과기화열도아주크다는것이다. 우리몸의온도가높아지면땀을배출하고, 땀이기화하면서몸으로부터열을빼앗아체온을낮춘다. 즉물의기화열이높은것은우리체온을일정하게유지하는것에크게기여한다. 2.2.4 열이흡수될때분자에게일어나는일 A. 고체, 액체, 기체상태 고체는일정한모양을가지고있다. 원자, 분자와같은입자로이루어진고체가일정한모양을가지고있다는것은입자들이정해진위치를가지고있다는의미이다. 입자들이정해진위치에고정되어있다는것은입자들이가진운동에너지에비해입자들끼리잡아당기는힘이강하다는뜻이다. (* 운동에너지 : 움직이는물체가가지는에너지로, 빠르게움직일수록운동에너지가많다.) 고체안에서입자들은정해진위치에묶여있기는하지만전혀움직이지않는것은아니다. 제자리에서진동하고있다. 고체가열을흡수하면입자들이에너지를얻어더심하게진동을하게된다. 따라서입자사이의거리가더멀어지고빈공간이더많아진다. 그결과고체의부피가커진다. [ 확실개념화학 ] 제 2 장열과물질의변화 9
액체는일정한모양을가지고있지않다. 그것은입자들이정해진위치에고정되어있지않다는뜻이며, 입자들끼리잡아당기는힘이고체에서보다는약하다는뜻이다. 액체안에서입자들은미끄러지듯이운동하여서로자리를바꾼다. 액체가열을흡수하면입자들이에너지를얻어운동이더활발해진다. 따라서입자사이의거리가더멀어지고빈공간이더많아진다. 그결과액체의부피가커진다. 기체의부피는액체에비해 1000배이상크다. 그것은입자들사이의거리가아주멀다는것이며, 입자들은서로거의끌어당기지않는다는뜻이다. 입자들은많은에너지를가지고있으므로빠른속력으로움직인다. 온도가높아질수록속력이더빨라진다. 기체상태의입자들은서로끌어당기지않으므로열린용기에담아둘수없다. 기체를닫힌용기에넣으면입자들은용기전체를차지하도록퍼진다. 입자사이의잡아당기는힘은용수철에자주비유된다. 고체에서는입 [ 확실개념화학 ] 제 2 장열과물질의변화 10
자들이가진운동에너지가작아용수철을약간만늘였다줄였다할수 있는것으로볼수있다. 액체에서는입자들의운동에너지가충분하여용수철에묶인상태로서 로위치를바꿀수있는것으로생각할수있다. 기체에서는입자들의 운동이심하여용수철이완전히끊어진상태로볼수있다. B. 상태의변화 고체에열이계속가해져진동이점점커지다가특정온도에도달하면입자들을제자리에잡아둘수없게된다. 그결과액체상태가되는데이과정을융해라고하고, 그온도를녹는점이라고한다. 액체로부터열을빼앗아온도가낮아져고체가되는과정을응고라고하고, 그온도를어는점이라고한다. 녹는점과어는점은같은온도이다. 액체에열이계속가해져입자들의운동이점점활발해지면특정온도에도달하여입자들사이의끌어당기는힘을극복할정도가된다. 그결과기체상태가된다. 이과정을기화라고한다. 기화에는증발과끓음의두과정이있는데증발은액체표면에서만기화가일어나는것이고, 끓음은액체내부에서도기화가일어나는것이다. 끓음이일어나는온도를끓는점이라고한다. 기체로부터열을빼앗아온도가낮아져액 [ 확실개념화학 ] 제 2 장열과물질의변화 11
체가되는과정을액화 ( 또는응축 ) 라고한다. 이산화탄소는우리가보통살아가는압력 (1기압정도 ) 하에서고체가열을흡수하면액체상태를거치치않고기체로변화한다. 이와같이고체가기체로되는과정을승화라고한다. 기체로부터열을빼앗으면고체가되는데이과정도승화라고부른다. 지금까지살펴본열에의한물질의상태변화를아래그림에정리하였 다. [ 확실개념화학 ] 제 2 장열과물질의변화 12
2.3 열에의한물질의화학적변화 설탕을가열하면까맣게변한다. 다시식혀도원래의설탕으로돌아오지않는다. 그것은가열하는동안설탕이다른물질로변하였기때문이다. 이경우열에의해물질이화학적변화를일으킨것이다. 열은물리적변화뿐아니라화학적변화도일으킨다. 화학적변화에대해서는후의장에서더자세히다루게될것이다. [ 확실개념화학 ] 제 2 장열과물질의변화 13